工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)-3第二章

第二章熱力學(xué)第一定律一、定律的實(shí)質(zhì)：

能量守恒及轉(zhuǎn)換定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用，確定熱力過程中各種能量在量上的關(guān)系。

熱能作為一種能量形式，可以和其它能量形式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換或發(fā)生能量傳遞，在這個(gè)傳遞或轉(zhuǎn)換過程中能量的總量守恒。第一類永動機(jī)是不可能制成的。

進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)部儲存能量的變化2-1熱力學(xué)第一定律及其實(shí)質(zhì)二、定律的內(nèi)容：焦耳實(shí)驗(yàn)1、重物下降，輸入功，絕熱容器內(nèi)氣體

T

2、絕熱去掉，氣體T

，放出熱給水，T

恢復(fù)原溫。

第二章熱力學(xué)第一定律焦耳實(shí)驗(yàn)水溫升高可測得熱量，重物下降可測得功。熱功當(dāng)量。1cal=4.1868J

第二章熱力學(xué)第一定律

第二章熱力學(xué)第一定律三、熱力循環(huán)的熱力學(xué)第一定律：

熱力循環(huán)：封閉的熱力過程。是指系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后，又回到原來狀態(tài)的過程。

第二章熱力學(xué)第一定律一、系統(tǒng)的總儲存能：2-2閉口系統(tǒng)能量方程式外部儲存能宏觀動能

Ek=mc2/2宏觀位能

Ep=mgz機(jī)械能內(nèi)部儲存能內(nèi)動能=f(T)內(nèi)位能=f(v,T)分子移動分子轉(zhuǎn)動分子振動核能化學(xué)能熱力學(xué)能

U

無化學(xué)反應(yīng)，不予考慮無核反應(yīng)，不予考慮

第二章熱力學(xué)第一定律1、熱力學(xué)能U：

熱力學(xué)能是狀態(tài)量；U

的單位:[kJ]；u的單位

:

[kJ/kg]；

熱力學(xué)能總以變化量出現(xiàn)，熱力學(xué)能的零點(diǎn)人為定。內(nèi)能是溫度和比容的函數(shù)，，對于理想氣體，分子間無作用力，微觀位能可忽略，內(nèi)能與比容無關(guān)，則內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)。

第二章熱力學(xué)第一定律

進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)部儲存能量的變化二、閉口系統(tǒng)能量方程式：

2.系統(tǒng)的儲存能E

儲存能：系統(tǒng)的熱力學(xué)能、宏觀動能與宏觀位能之和。

比儲存能：單位質(zhì)量工質(zhì)的儲存能，用e表示。

第二章熱力學(xué)第一定律

如圖取活塞與氣缸封閉的氣體作為閉口系統(tǒng)進(jìn)行研究。因，系統(tǒng)貯存能量變化為內(nèi)能變化ΔU，輸入系統(tǒng)能量為Q，輸出能量為膨脹功W：

第二章熱力學(xué)第一定律1、閉口系統(tǒng)能量方程式的其他形式：

對于單位工質(zhì)：

對于微元過程：

對于可逆過程：幾點(diǎn)說明：適用條件：1）任何工質(zhì)2)任何過程

第二章熱力學(xué)第一定律

對于熱力循環(huán)：2、符號規(guī)定：吸熱q>0，對外作功，w>0，內(nèi)能增加,△u>0。例2-1：如圖所示，閉口系內(nèi)的一定量氣體由狀態(tài)1經(jīng)1a2變化至狀態(tài)2，吸熱70kJ，同時(shí)對外做功25kJ，試問：（1）工質(zhì)若由1經(jīng)1b2變化到2時(shí)，吸熱為90kJ，則對外做功是多少？（2）若外界對氣體做功30kJ，迫使它從狀態(tài)2經(jīng)2c1返回到狀態(tài)1，則此返回過程是吸熱過程還是放熱過程？其值為多少？

第二章熱力學(xué)第一定律一、推動功：2-3開口系統(tǒng)能量方程式

第二章熱力學(xué)第一定律

該δmkg工質(zhì)流動L距離對活塞作功:

對于單位質(zhì)量的工質(zhì):

這種推動工質(zhì)流動所作的功叫推動功或流動功。L對推動功的幾點(diǎn)說明：推動功的計(jì)算公式為：，而不是，v沒有變化；與宏觀流動有關(guān)，流動停止，推進(jìn)功不存在；作用過程中，工質(zhì)僅發(fā)生位置變化，無狀態(tài)變化；wf＝pv與所處狀態(tài)有關(guān)，是狀態(tài)量；

第二章熱力學(xué)第一定律

第二章熱力學(xué)第一定律開口系統(tǒng)的推動功：進(jìn)口的推動功：出口的推動功：凈推動功：

第二章熱力學(xué)第一定律二、開口系統(tǒng)遵循的定律：1、質(zhì)量守恒定律：開口系統(tǒng)內(nèi)增加的質(zhì)量等于流入和流出系統(tǒng)的質(zhì)量之差。

2、能量守恒定律：進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內(nèi)部儲存能量的變化質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律（連續(xù)性方程）

第二章熱力學(xué)第一定律三、開口系統(tǒng)能量方程式δWsδQδm1δm2δm1u1δm2u2δm1gz1δm2gz2進(jìn)入系統(tǒng)的能量：流出系統(tǒng)的能量：δm1u1δm1gz1δm1p1v1δm2p2v2δm1p1v1δm2u2

δm2gz2δm2p2v2工質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲存能量的變化

第二章熱力學(xué)第一定律

第二章熱力學(xué)第一定律一、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流狀態(tài)：1、定義：流動狀況不隨時(shí)間而改變的流動。即任一流通截面上工質(zhì)的狀態(tài)都不隨時(shí)間而改變。2、穩(wěn)定流動的實(shí)現(xiàn)條件：（1）系統(tǒng)和外界交換的能量（功量和熱量）與質(zhì)量不隨時(shí)間而變；2-4穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動能量方程式（2）任意流通截面上工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而變。

第二章熱力學(xué)第一定律二、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程式

將以上結(jié)論代回開口系統(tǒng)能量方程：

而：，

開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程式的化簡：

對于微元過程：

對于mkg工質(zhì)：

第二章熱力學(xué)第一定律三、焓

第二章熱力學(xué)第一定律

令，則：式中稱為比焓。

對焓的幾點(diǎn)說明：

（1）比焓是狀態(tài)量，表示每千克工質(zhì)沿流動方向向前傳遞的總能量中取決于熱力狀態(tài)的部分，單位為kJ/kg；同理焓：，單位為kJ；

第二章熱力學(xué)第一定律（3）對流動工質(zhì)，焓代表能量(內(nèi)能+推進(jìn)功)，對靜止工質(zhì)，焓不代表能量。（2）一般焓只計(jì)算其變化量△h，焓值的零點(diǎn)人為定；（4）對于微元過程，開口系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程可轉(zhuǎn)化為：開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程式適用條件：任何流動工質(zhì)；任何穩(wěn)定流動過程。

第二章熱力學(xué)第一定律一、軸功(ws)

2-5軸功

軸功

(ws)

：工質(zhì)流經(jīng)熱力設(shè)備（開口系統(tǒng)）時(shí)，熱力設(shè)備與外界交換的機(jī)械功，這個(gè)機(jī)械工通常是通過轉(zhuǎn)動的軸輸入、輸出，所以工程上習(xí)慣成為軸功。

由閉口系統(tǒng)能量方程：

第二章熱力學(xué)第一定律

工質(zhì)在穩(wěn)定流動過程中所作的膨脹功，一部分消耗于維持工質(zhì)進(jìn)出開口系統(tǒng)時(shí)的凈推動功，一部分用于增加工質(zhì)的宏觀動能和位能，其余部分才作為熱力設(shè)備輸出的軸功。對于可逆過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程）：因此：

第二章熱力學(xué)第一定律

二、技術(shù)功（wt）

閉口系(1kg)的能量方程：容積變化功穩(wěn)流開口系(1kg)的能量方程：技術(shù)功：工程技術(shù)上可以直接利用，用wt表示。動能軸功位能機(jī)械能對于mkg工質(zhì)：

第二章熱力學(xué)第一定律對于微元過程：而由焓的定義式：對于可逆過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程）：因此，可逆過程（準(zhǔn)靜態(tài)過程）的技術(shù)功：

第二章熱力學(xué)第一定律可逆：熱一律解析式之一熱一律解析式之二技術(shù)功在示功圖上的表示：

第二章熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)問題經(jīng)?？珊雎詣?、位能變化例：c1=1

m/sc2=30

m/s

(c22-c12)/

2=0.449

kJ/kgz1=0mz2=30mg(z2-z1)=

0.3kJ/kg1bar下,0

oC水的

h1=84kJ/kg100oC水蒸氣的

h2=2676kJ/kg

第二章熱力學(xué)第一定律三、能量方程匯總：熱力循環(huán)：閉口系統(tǒng)：開口系統(tǒng)：穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流：

第二章熱力學(xué)第一定律2-6穩(wěn)定流動能量方程式應(yīng)用舉例1、換熱器（加熱器或冷卻器）

heatexchanger

系統(tǒng)接受的熱量等于工質(zhì)的焓的增量，反之放熱量等于系統(tǒng)的焓降。

第二章熱力學(xué)第一定律2、渦輪機(jī)或壓氣機(jī)

Turbines,compressorsandpumps

在渦輪機(jī)中依靠工質(zhì)的焓降而輸出軸功，反之壓氣機(jī)中消耗軸功使工質(zhì)的焓增加。

第二章熱力學(xué)第一定律3、噴管和擴(kuò)壓管

NozzlesandDiffusers

噴管中依靠工質(zhì)的焓降而使工質(zhì)的流動動能增大。

第二章熱力學(xué)第一定律4、節(jié)流

ThrottlingDevices(adiabaticprocess)

絕熱節(jié)流前后流體的焓值不變，但此過程并非等焓過程。例2－4如圖2-10所示，有一儲氣罐，初始時(shí)其內(nèi)部為真空，現(xiàn)連接于輸氣管道進(jìn)行充氣。假設(shè)輸氣管內(nèi)空氣的狀態(tài)始終保持穩(wěn)定，其焓為h。經(jīng)過?τ時(shí)間的充氣后，儲氣罐內(nèi)空氣的質(zhì)量達(dá)到m0，試求此時(shí)儲氣罐內(nèi)空氣的熱力學(xué)能U0。解法一：取儲氣罐內(nèi)空氣為一個(gè)開口系統(tǒng)，按連續(xù)性方程式：儲氣罐內(nèi)空氣質(zhì)量m和流量qm之間的關(guān)系為設(shè)送氣時(shí)間為，積分上式得因?yàn)殚_口系統(tǒng)能量方程式儲氣罐內(nèi)內(nèi)能的增加來自于輸氣管的空氣的焓。2.4.2焓（enthalpy）①定義H=U+PV或h=u+pv單位J,KJ或J/kgkJ/kg②物理意義：

1)對于流動工質(zhì)：焓代表流動工質(zhì)所攜帶的與熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān)的能量;2)對非流動工質(zhì)，只代表狀態(tài)參數(shù)。解法2利用焓的物理意義習(xí)題2-15氣缸中空氣組成的熱力系統(tǒng)如圖2-11所示。氣缸內(nèi)空氣的容積為800cm3，溫度為20℃，壓力和活塞外側(cè)大氣壓力相同，為0.1MPa?，F(xiàn)向空氣加熱使其壓力升高，并推動活塞上升而壓縮彈簧。已知活塞面積為80cm2，彈簧系數(shù)為k＝400N/cm，實(shí)驗(yàn)得出的空氣熱力學(xué)能隨溫度變化的關(guān)系式為{△u1,2}kJ/kg=0.716

{△T1,2}K。若活塞重量可忽略不計(jì)，試求使氣缸內(nèi)空氣壓力達(dá)到0.3MPa所需的熱量。閉口系統(tǒng)能量方程：？（1）求△U1,2t2=?力平衡（2）W1-2=?習(xí)題2-16一真空容器，因密封不嚴(yán)外界空氣逐漸滲漏入容器內(nèi)，最終使容器內(nèi)的溫度、壓力和外界環(huán)境相同，并分別為27℃及101325Pa。設(shè)容器的容積為0.1m3，且容器中溫度始終保持不變，試求過程中容器和環(huán)境交換的熱量。解以容器內(nèi)這一固定空間為系統(tǒng)能量方程作業(yè)：2－10，2－14，2－17習(xí)題2-1一輛汽車在1.1h內(nèi)消耗汽油37.5L，已知通過車輪輸出的功率為64kW，汽油的發(fā)熱量為44000kJ/kg，汽油的密度為0.75g/cm3，試求汽車通過排氣、水箱散熱及機(jī)件的散熱所放出的熱量。習(xí)題2-2一臺工業(yè)用蒸汽動力裝置，每小時(shí)能生產(chǎn)11600kg蒸汽，而蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功輸出的功率為3800kW。如果該裝置每小時(shí)耗煤1450kg，煤的

發(fā)熱量為30000kJ/kg，而在鍋爐中水蒸氣吸收的熱量為2550kJ/kg。試求：(1)鍋爐排出廢煙氣帶走的能量；(2)汽輪機(jī)排出乏汽帶走的能量。解：（1）每小時(shí)該裝置煤的發(fā)熱量

Q1＝1450×30000＝435×105kJ/h每小時(shí)鍋爐中水蒸汽吸熱

Q2＝11600×2550＝295.8×105kJ/h所以廢氣帶走的熱量

Q1-Q2=435×105-295.8×105

=1.392×107kJ/h（2）每小時(shí)汽輪機(jī)輸出功:

w0=3800×3600＝136.8×105kJ/h

所以乏汽帶走的能量:

WW=Q2-W0

=295.8×105-136.8×105

=1.59×107kJ/h習(xí)題2-3夏日室內(nèi)使用電扇納涼，電扇的功率為0.5kW，太陽照射傳入的熱量為0.5kW。當(dāng)房間密閉時(shí)，若不計(jì)人體散出的熱量，試求室內(nèi)空氣每小時(shí)熱力學(xué)能的變化。解：以密閉房間內(nèi)的物質(zhì)為系統(tǒng)

△U＝Q1+Q2

＝（0.5+0.5）×3600

＝3600kJ/h習(xí)題2-4某車間中各種機(jī)床的總功率為100kW，照明用100W電燈50盞。若車間向外散熱可忽略不計(jì)，試求車間內(nèi)物體及空氣每小時(shí)熱力學(xué)能的變化。解：忽略空氣的流動，以密閉車間內(nèi)的物質(zhì)為系統(tǒng)

△U＝Q1+Q2

＝（50×0.1+100）×3600

＝3.78×105kJ/h習(xí)題2-5人體在靜止情況下，每小時(shí)向環(huán)境散發(fā)的熱量為418.68kJ。某會場可容納500人，會場的空間為4000m3。已知空氣的密度1.2kg/m3，空氣的比熱容為1.0kJ/(kg·K)。若會場空氣溫度允許的最大溫升為15℃，試求會場所用空調(diào)設(shè)備停機(jī)時(shí)間最多可允許多少分鐘？解：500人每小時(shí)向環(huán)境散發(fā)的熱量為Q=500×418.68＝2.093×105kJ/h

會場空氣所允許獲得的最大熱量為Qmax=ρVcpΔt=1.2×4000×1.0×15＝72000kJ則空調(diào)設(shè)備停機(jī)所允許的最長時(shí)間為Qmax/Q=72000/(2.093×105)=0.344h=20.6min習(xí)題2-6有一個(gè)熱力循環(huán)，在吸熱過程中工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?800J，在放熱過程中工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶艧?080J，又在壓縮工質(zhì)時(shí)外界消耗700J，試求工質(zhì)膨脹時(shí)對外所作的功。解：根據(jù)熱力學(xué)第一定律有Q1+Q2=Wsc+WsTWsT=Q1+Q2-Wsc=1800+(-1080)-(-700)=1420J習(xí)題2-8為保持冷藏箱內(nèi)的低溫不變，必須把環(huán)境傳入的熱量取出。若驅(qū)動制冷機(jī)所需的電